mÓdulo de aprovechamiento solar para …

CienciAmérica (2021) Vol. 10 (3) ISSN 1390-9592 ISSN-L 1390-681X

Caraballo Núñez, Tapia Peralta, Solórzano Castillo & Cuenca Granda. Módulo

de aprovechamiento solar para la generación de aire caliente. Julio – Diciembre 2021

http://dx.doi.org/10.33210/ca.v10i3.372

MÓDULO DE APROVECHAMIENTO

SOLAR PARA GENERACIÓN DE AIRE

CALIENTE Solar-powered hot air generation module

Módulo de aproveitamento solar para geração do ar quente

Miguel Angel Caraballo1 , Darwin Tapia1 , Byron Solorzano1 & José Cuenca1

1 Facultad de Energía, Industrias y Recursos Naturales no Renovables. Universidad Nacional de Loja. Loja-Ecuador. Correo: [email protected],

[email protected], [email protected], [email protected]

Fecha de recepción: 22 de abril de 2021. Fecha de aceptación: 27 de julio de 2021.

RESUMEN

INTRODUCCIÓN: Se aborda la problemática de confirmar resultados experimentales a través de un modelo matemático que permita predecir el comportamiento de variables térmicas, en un módulo de aprovechamiento solar para la generación de aire caliente. OBJETIVO: Desarrollar un modelo matemático que describa los procesos internos de intercambio de calor en un colector solar de placas planas. MÉTODO: La investigación se realiza bajo el doble enfoque: teórico y experimental. Se procede a la medición de los principales parámetros de funcionamiento del colector solar de placas planas, la elaboración del modelo matemático y la realización del balance térmico. RESULTADOS: Utilizando el recurso Guide de MATLAB, se programó una aplicación para la ejecución del modelo matemático, estableciéndose las constantes que corresponde a datos geométricos del módulo solar y del ducto, características del aislante y condiciones térmicas de radiación de los materiales utilizados. Finalmente, definidos los datos de entrada, se realizan las iteraciones correspondientes y se obtienen los resultados de cálculo, los ajustes de temperaturas se realizaron con una divergencia inferior al 1%. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES: El error promedio que representaría el desface entre el modelo propuesto respecto a los parámetros reales de funcionamiento, fue de un 2,55%, aceptables desde el punto de vista estadístico. Se confirman resultados de investigaciones precedentes en cuanto a buenos rendimientos para un caudal másico de 0,0204 kg/s. Se logró la evaluación de un módulo del aprovechamiento solar para la generación de aire caliente que posee enormes potencialidades para la calefacción de viviendas de la región sierra ecuatoriana.

Palabras claves: colector solar, modelo matemático, balance térmico, intercambio de calor, calefacción de viviendas.


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mailto:[email protected]




http://orcid.org/0000-0002-4350-209X

https://orcid.org/0000-0002-1663-7976

https://orcid.org/0000-0002-0071-2249

https://orcid.org/0000-0003-1049-0958





ABSTRACT

INTRODUCTION: The paper discusses the verification of the experimental results of a solar-powered hot air generation module using a mathematical model that predicts the behavior of thermal variables. OBJECTIVE: To develop a mathematical model that describes the internal heat exchange processes in a flat plate solar collector. METHOD: The research employs a two-pronged approach: theoretical and experimental. The main operating parameters of the flat plate solar collector are measured, and a mathematical model and a heat balance are performed. RESULTS: MATLAB GUIDE is used to program an application for the implementation of the mathematical model. The constants corresponding to the geometrical data of the solar module and the duct, the insulator characteristics, and the thermal radiation conditions of the materials used are determined. Finally, after defining the input data, the corresponding iterations are carried out, and the calculation results are obtained. Temperature adjustments are made with a deviation of less than 1%. DISCUSSION AND CONCLUSIONS: The average error representing the difference between the proposed model response and the actual operating parameters is 2.55 percent, which is statistically acceptable. Previous research findings confirm a good performance for a mass flow rate of 0.0204 kg/s. The evaluation of a solar-powered hot air generation module, which has enormous potential for heating houses in the Ecuadorian Sierra, is performed.

Keywords: solar collector, flat-plate collector, mathematical model, heat balance, heat exchange, heating.

RESUMO INTRODUÇÃO: O problema de confirmação de resultados experimentais é abordado por meio

de um modelo matemático que permite predizer o comportamento de variáveis térmicas, em um

módulo de aproveitamento solar para geração de ar quente. OBJETIVO: Desenvolver um

modelo matemático que descreva os processos internos de troca de calor em um coletor solar

de placa plana. MÉTODO: A pesquisa é desenvolvida sob uma dupla abordagem: teórica e

experimental. Os principais parâmetros de funcionamento do coletor solar de placa plana são

medidos, o modelo matemático é elaborado e o balanço térmico é realizado. RESULTADOS:

Utilizando o recurso Guia MATLAB, foi programado um aplicativo para executar o modelo

matemático, estabelecendo as constantes que correspondem aos dados geométricos do módulo

solar e do duto, características do isolamento e condições de radiação térmica dos materiais

utilizados. Por fim, definidos os dados de entrada, efetuam-se as iterações correspondentes e

obtêm-se os resultados dos cálculos, efetuando-se os ajustes de temperatura com uma

divergência inferior a 1%. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES: O erro médio que representaria o

descasamento entre o modelo proposto em relação aos parâmetros operacionais reais foi de

2,55%, aceitável do ponto de vista estatístico. Resultados de pesquisas anteriores são

confirmados como bons desempenhos para uma taxa de fluxo de massa de 0,0204 kg / s. Logro-

se a avaliação de um módulo de aproveitamento solar para geração do ar quente, com enorme

potencial para aquecimento de residências no planalto equatoriano.

Palavras-chave: coletor solar, modelo matemático, balanço térmico, troca de calor, aquecimento

doméstico.

INTRODUCCIÓN

La investigación que se presenta forma parte de un Proyecto de Investigación en

desarrollo en la Universidad Nacional de Loja, una de sus líneas de trabajo es el

aprovechamiento de la energía solar térmica.








Entre las fuentes de energía renovable, la energía solar térmica se destaca por

ser una tecnología viable y factible en diversos usos domésticos, industriales y en

aplicaciones tecnológicas [1]. Por otra parte, el creciente desarrollo humano en todos

los ámbitos, y la necesidad cada vez mayor de satisfacer necesidades cotidianas

básicas que proporcionen confort y bienestar, exigen mayores requerimientos

energéticos, los cuales son cada vez más atendidos con el empleo de energías

renovables. En este contexto, se ha considerado conveniente el empleo de la energía

solar térmica en los procesos de calefacción, ya que puede ser utilizada directamente,

no contamina el medio ambiente, es continua y libre [2].

Para el calentamiento del aire pueden ser utilizados los denominados módulos

térmicos de aprovechamiento solar, o colectores solares, siendo muy común el empleo

del colector solar de placa plana. Los colectores solares son un tipo especial de

intercambiadores de calor que transforman la energía de la radiación solar en energía

interna del medio de transporte [3]. Según este autor, para el caso de los colectores

solares de placa plana, cuando la radiación solar atraviesa una cubierta de vidrio

transparente e incide en la placa absorbente o superficie ennegrecida para aumentar la

capacidad de absorción, una gran parte de esta energía es absorbida por la placa y

luego se transfiere al fluido que circula por los ductos. La parte inferior de la placa

absorbente y los laterales de la carcasa deben estar bien aislados para reducir las

pérdidas de calor. En la figura 1 se muestra una representación esquemática de una

sección de este tipo de colector.

Figura 1. Representación esquemática de una sección de un colector de solar de

placas planas para calentamiento de aire (Fuente: Autores)

Numerosos trabajos de investigación han caracterizado los colectores solares de

placas planas para calentamiento de aire, atendiendo a diversos enfoques. Quiñonez

[2], realiza una investigación experimental de un calentador solar de aire de doble flujo

en paralelo con placa absorbente corrugada en forma de V, que funciona por convección

natural ubicado verticalmente para calefacción de viviendas. Logró alcanzar una

temperatura máxima de salida del aire de 95,7ºC para una intensidad solar de 758 W/m2,

con una eficiencia promedio del colector es de 51,1%. Sin embargo, el flujo másico

promedio para días soleados fue de 0,0094 kg/s, el cual es relativamente bajo si se tiene

en cuenta que el tiempo unitario requerido para calentar 1 m3 es de casi dos minutos;

además, se encontró que el flujo másico es muy sensible a la velocidad y densidad del

aire.








Por su parte (Chabane et al.) [4], realiza un estudio experimental de eficiencia

térmica con varios caudales másicos, encontrando que la mayor eficiencia se logra con

un caudal másico de 0,0202 kg/s. Los parámetros medidos fueron las temperaturas de

entrada y salida del aire, la temperatura de la placa absorbente, y la radiación solar.

Una investigación muy interesante fue la realizada por (Alves et al.) [5], al

desarrollar un modelo matemático basado en la teoría de conjuntos difusos para

predecir rendimiento en un sistema de calentamiento solar de aire, comparando la

eficiencia del colector con un calentador comercial. De similar manera, otro modelo

matemático permite la optimización exergética del colector solar considerando como

variables de entrada las condiciones de operación y parámetros geométricos; en este

caso, la eficiencia exergética del colector se obtiene a partir de correlaciones, y a

diferencia de otros métodos de optimización, este disminuye la irreversibilidad interna

[6]. Ambos resultados muestran las potencialidades de uso de modelos matemáticos

para caracterizar el rendimiento y predecir el comportamiento de diversos variables del

colector.

En el trabajo de (Wu et al.) [7], se había realizado un análisis de las

irreversibilidades asociadas a pérdidas por fricción y por transferencia de calor, al

examinar las características de transferencia de exergía por convección forzada a través

de un conducto con calor constante. (Bracamonte & Baritto) [8], encuentran que existen

combinaciones de valores de relaciones de aspecto y flujos de masa, para los cuales la

operación del colector es termodinámicamente óptima para números de flujo de masa

elevados.

Se debe reconocer que, en el caso de colectores solares para calentamiento de

aire por convección forzada, generalmente un incremento del flujo volumétrico se

traduce en un incremento de las pérdidas por fricción, por lo que los procesos de diseño

de colectores solares para calentamiento de aire deben atender la necesidad de

incrementar las tasas de flujo de calor sin que esto signifique un incremento

desproporcionado de las pérdidas por fricción [8].

(Ghaderian et al.) [9], realizan un análisis de exergía de un colector solar de aire,

teniendo en cuenta sus parámetros geométricos y de operación, así como las

condiciones climáticas. Encontró que las pérdidas de exergía podrían ser reducidas

alterando las variables hasta alcanzar la máxima eficiencia, resultando significativo la

apreciación de que el área del colector tiene el efecto mínimo tanto en la eficiencia

térmica como en la eficiencia exergética, mientras que la energía solar incidente, la

radiación, tiene el máximo efecto.

(Ávila et al.) [10], abordaron el estudio de la influencia de la relación de aspecto,

razón entre la longitud y ancho de un colector de área constante, sobre la eficiencia

térmica de un colector solar de placa plana que utiliza doble cubierta transparente para

el calentamiento de aire. En general se encontró que, para un área constante del

colector, la eficiencia térmica aumenta cuando la relación de aspecto aumenta.

Resumiendo, la literatura consultada hace énfasis en las potencialidades de los

colectores solares de placas planas para el calentamiento del aire. En algunos casos se








logra, mediante modelos matemáticos, predecir la eficiencia y otros comportamientos

teniendo en cuenta diversas variables de entradas. En otros casos, trabajos

experimentales permiten evaluar criterios de funcionamiento práctico como temperatura,

flujo másico, rendimiento, etc.; según sean las condiciones climáticas y de operación, y

las características constructivas de los colectores.

Sin embargo, son escasos los estudios realizados bajo el doble enfoque teórico

y experimental, en particular el desarrollo de modelos matemáticos que teóricamente

describan los procesos internos de intercambio de calor en colectores solares de placas

planas, y su posterior validación experimental.

En la investigación que se presenta en este artículo, se afronta la problemática

de evaluar el comportamiento de un módulo de aprovechamiento solar, teórica y

experimentalmente, a fin de considerar su utilización para proporcionar bienestar y

confort al interior de edificaciones y viviendas en procesos de calefacción. Para ello, se

ha considerado como hipótesis que a la salida del colector se haya duplicado, como

mínimo, la temperatura ambiente. Sin embargo, cabe la siguiente pregunta de

investigación:

¿Será posible comprobar experimentalmente un modelo matemático que

describa los procesos internos de intercambio de calor en un módulo de

aprovechamiento solar de placas planas, de modo que se pueda predecir la temperatura

de salida del aire en función de condiciones climáticas locales?

En tal sentido el objetivo que se pretende alcanzar es el siguiente: Desarrollar un

modelo matemático que describa los procesos internos de intercambio de calor en un

colector solar de placas planas.

La investigación se realiza utilizando un módulo de aprovechamiento solar que

tiene las siguientes características: cubierta de vidrio, superficie absorbente con un área

total de 1 m2, compuesta por un conjunto de 13 ductos rectangulares de 76,2 mm x 38,1

mm, convenientemente dispuestos de modo que se asegure un flujo continuo de aire

forzado que circula a una velocidad de 7,2 m/s, siguiendo una trayectoria en forma de

serpentín como se muestra en la figura 2.








Figura 2. Trayectoria del flujo de aire a través de los ductos del colector (Fuente:

Autores)

MÉTODO

Unidades de Medición/Muestras

Utilizando el módulo de aprovechamiento solar construido para la investigación,

se procede a la medición de temperaturas en los puntos seleccionados, las cuales serán

comparadas con las que se obtengan en el modelo matemático que ha sido

desarrollado, a efectos de cálculo de errores. El resumen metodológico se muestra en

la figura 3.








Figura 3. Resumen metodológico (Fuente: Autores)

Normas éticas de investigación

La investigación no incluye animales ni seres humanos. Se refiere a un estudio

teórico-experimental que permite caracterizar las potencialidades energéticas de un

módulo de aprovechamiento solar para la generación de aire caliente, por lo cual la

investigación no aplica en este punto.

Instrumentos/Técnicas de recolección de datos








Los instrumentos utilizados en la investigación fueron: Contador de radiación

solar marca PCE, modelo SPM1, con rango de medición de 0 a 2000 W/m², resolución

de 1 W/m2 y precisión de ±10 W/m² o ±5 %; y, un termómetro YCT, modelo YC-737QD

de 4 canales, con termocupla tipo K, rango de medición de -100 a 1300°C y resolución

de 0,1°C.

Para la recolección de datos experimentales se procedió a medir cada 10

minutos: la temperatura ambiente, temperatura de la placa colectora, temperatura en la

superficie del vidrio y temperatura a la salida del ducto del módulo de aprovechamiento

solar; tal y como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Recolección de datos de temperaturas en diferentes puntos del módulo

(Fuente: Autores)

Técnicas de análisis de datos

Se emplearon técnicas de análisis estadístico para determinar los valores

promedios de temperatura en diferentes puntos del módulo de aprovechamiento solar,

y la radiación solar promedio durante el procedimiento experimental. Para el modelo

matemático se adoptan temperaturas iniciales de trabajo que luego se corrigen mediante

iteraciones. Los resultados experimentales de medición de temperatura se contrastan

con los resultados del modelo matemático, estableciéndose el error absoluto y relativo.

Procedimiento

El proceso de la investigación inicia con el registro de la radiación solar como

variable de entrada en la zona del experimento, y la determinación de las pérdidas de

energía en el módulo de aprovechamiento solar considerando diversos factores, para

finalmente establecer el valor de energía útil que se aprovecha en el módulo o colector

solar. También se considera la temperatura ambiente de la locación escogida, y

experimentalmente se determinan las temperaturas en diferentes puntos del colector.

Las variables climáticas de la locación, en particular, irradiación solar y temperatura

ambiente, son consideradas en el desarrollo del modelo matemático de predicción de la

temperatura de salida del fluido.

Modelo Matemático

El modelo matemático tiene su principio en el balance energético del módulo

solar, la energía de entrada corresponde a la irradiación solar (S), las pérdidas están








dadas por la transferencia de calor total (Qp) originada en la cubierta (Qt), paredes

laterales (Qe) y superficie inferior (Qb); y, finalmente la energía de salida se considera

en el calor sensible útil (Qu) ganado en el fluido por aumento de su temperatura desde

que entra en el módulo hasta su salida (ecuación 1)

𝑄𝑢 = 𝑆 − (𝑄𝑡 + 𝑄𝑒 + 𝑄𝑏) (1)

Las pérdidas de calor se representan mediante el circuito térmico equivalente

(C.T.E) de la figura 5. Se adopta un circuito idealizado bajo las siguientes

consideraciones:

1. Transferencia de calor unidimensional en estado estacionario.

2. No se considera generación de calor Interna.

3. Se desprecia el calor almacenado por la estructura del módulo solar.

4. Fluido y estructuras homogéneas.

Figura 5. C.T.E. del módulo Solar (Fuente: Autores)

Las resistencias térmicas pueden ser representadas en función de los

coeficientes globales de transferencia de calor, en las mismas direcciones que las

pérdidas de calor evaluadas entre las temperaturas de la placa absorbedora (Tp) y la

temperatura ambiente (Ta); por tanto, en correspondencia con la figura 6 que indica el

esquema general geométrico del módulo solar, el balance energético del módulo solar

queda definido en la ecuación (2).

𝑄𝑢 = 𝑆 𝐴𝑐 − (𝑇𝑝 − 𝑇𝑎)(𝐴𝑐 × 𝑈𝑡 + 𝐴𝑐 × 𝑈𝑏 + 𝑃𝑐 × 𝐻𝑐 × 𝑈𝑒) (2)

Donde:

Ac: Área de la cubierta del módulo, [m2]

Ut: Pérdidas Globales por la cubierta, [W/(m2 K)]

Ub: Pérdidas Globales por la superficie inferior W/(m2 K)

Ue: Pérdidas Globales por las paredes laterales W/(m2 K)








Figura 6. Esquema geométrico del módulo solar (Fuente: Autores)

Mediante el C.T.E. se deduce la expresión para el cálculo de la temperatura de

cubierta (Tc), indicado en la ecuación (3)

𝑇𝑐 = 𝑇𝑝 − 𝑈𝑡 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑎)

ℎ𝑐,𝑝−𝑐 − ℎ𝑟,𝑝−𝑐 (3)

Donde:

hc,p-c: Coeficiente de convección entre la placa y la cubierta, [W/(m2 K)]

hr,p-c: Coeficiente de radiación entre la placa y la cubierta, [W/(m2 K)]

En la figura 2 se indica el sentido de flujo del aire por el ducto, en total circula

una longitud (Ltd) de 13 metros. Se considera convección forzada interna, ya que la

entrada de aire se realiza por medio de un ventilador; en este contexto, (Incropera &

DeWitt) [11], proponen la ecuación (4) para el cálculo de la temperatura de placa.

𝑇𝑝 =𝑇𝑠𝑎𝑙 − 𝑇𝑎 × 𝑒𝑥𝑝(−

𝑃𝑐 × 𝐿𝑡𝑑×ℎ𝑖

�̇�×𝐶𝑝)

ℎ𝑐,𝑝−𝑐 − ℎ𝑟,𝑝−𝑐 (4)

Donde:

Tsal: Temperatura de salida del aire, [°C]

hi: Coeficiente de convección interna del flujo de aire, [W/(m2 K)]

�̇� : Caudal másico de aire, [kg/s]

Cp: Calor específico del aire, [J/(kg K)]

El calor útil (Qu), permite proyectar la temperatura de salida (Tsal) que alcanzará

el aire a su paso por el módulo solar (ecuación 5)

𝑇𝑠𝑎𝑙 = 𝑇𝑎 +𝑄𝑢

�̇�×𝐶𝑝 (5)








La semisuma de la temperatura de entrada del aire que corresponde a la

ambiental Ta, con la temperatura de salida Tsal, permite definir la temperatura media

del fluido Tmf y seleccionar las propiedades termofísicas del fluido interno (ecuación 6).

𝑇𝑚𝑓 =𝑇𝑎 + 𝑇𝑠𝑎𝑙

2 (6)

El rendimiento del módulo solar (𝜂c) se evalúa entre la energía útil y la energía

de entrada, Ecuación 7.

𝜂𝑐 =𝑄𝑢

𝑆×𝐴𝑐× 100 (7)

Se define también la variable tv que indica el tiempo unitario que necesita el

módulo solar para calentar un volumen de 1 m3 (ecuación 8).

𝑡𝑣 =1

𝑣 ×𝐵𝑑 ×𝐻𝑑 (8)

Donde:

tv: Tiempo unitario, [s/m3]

v: Velocidad de circulación del aire por el ducto, [m/s]

Bd: Ancho del ducto, [m]

Hd: Altura del ducto, [m]

La contrastación del modelo matemático del módulo solar, se realizó mediante

el método de iteraciones siguiendo el diagrama de flujo indicado en la figura 3.

Para resolver el diagrama de flujo y el modelo matemático, se debe adoptar

variables iniciales para Tmf, Tp y Tc, que luego se comprueban con sus valores

recalculados (Tmf’, Tp’ y Tc’) hasta obtener un error porcentual menor al 1%.

RESULTADOS

Resultados experimentales

Las mediciones experimentales se realizaron entre las 11h30 y 13h00 en la

ciudad de Catamayo, en el noreste de la provincia de Loja. La radiación solar promedio

fue de 923,4 W/m2 y la temperatura ambiente promedio 30,63°C. Se aseguró una

velocidad constante del aire de 7,2 m/s a la salida de los ductos del colector, utilizando

un ventilador centrífugo. En la tabla 1, se muestran los resultados de las mediciones.








Tabla 1. Resultado de las mediciones experimentales

Velocidad del aire a la salida de los ductos (m/s)

Hora de la

medición (H:m)

Radiación Solar

(W/m2)

Temp. Ambiente

T1 (°C)

Temp. de la Placa

Colectora T2

(°C)

Temp. a la Salida del

Ducto T3

(°C)

Temp. en la

Superficie del Vidrio

T4 (°C)

7.2 11:30 1042 29.7 57.6 58.8 49

11:40 700 28.3 58 58.6 49

11:50 950 30.6 56.8 58.5 51

12:00 980 30.6 61.8 63.3 51

12:10 900 30.7 61.9 63.4 51

12:20 1000 30.1 65.3 66.4 50

12:30 750 31.8 65.7 68.7 54

12:40 970 31.8 69.8 72.6 57

12:50 932 31.1 70.4 74.4 60

13:00 1010 31.6 70.2 74.4 51

Valores Promedios 923.4 30.63 63.75 65.91 52.3

Evaluación del Modelo Matemático

Mediante el recurso Guide de MATLAB se programó una aplicación para la

ejecución del modelo matemático. Para la evaluación del modelo se definen las

constantes que corresponde a datos geométricos del módulo solar y del ducto,

características del aislante y condiciones térmicas de radiación de los materiales

utilizados. Los valores se resumen en la tabla 2.

Tabla 2. Constantes para el Modelo

Variable Símbolo Magnitud Unidad

Emisividad de la Cubierta de Vidrio εc 0.9 adimensional

Emisividad de la placa Absorbedora εp 0.97 adimensional

Constante de Boltzmann σ 5.67 x 10-8 W/(m2 K4)

Área de cubierta del módulo solar Ac (1 x 1) m2

Altura del módulo solar Hc 0.12 m

Longitud Total del ducto Ltd 13 m

Ancho efectivo del ducto (lado base) Bd 0.0734 m

Altura efectiva del ducto Hd 0.0353 m

Espesor de Aislante Fibra de vidrio (pared lateral y pared inferior)

Le, Lb 0.05 m

A continuación, se define los datos de entrada que corresponde, por un lado, a

las variables climáticas de la zona como: irradiación solar, temperatura ambiente y

velocidad de viento; y, por otro lado, las condiciones de trabajo como la inclinación del

módulo, el espaciamiento que existe entre cubierta y placa absorbedora y la velocidad

de circulación del fluido en el ducto, en este caso con la potencia del ventilador se logró

una velocidad de 7.2 m/s. Para las iteraciones del modelo matemático se adoptan

temperaturas iniciales de trabajo como la temperatura de la placa Tp, la temperatura de








la cubierta Tc y la temperatura media del fluido dentro del ducto Tmf, a su vez, permitirá

determinar las propiedades termofísicas entre la placa y la cubierta y también en el

interior del ducto. En la tabla 3 se indica los valores que ingresan al modelo:

Tabla 3. Velocidad de flujo y temperaturas de trabajo

Variable Símbolo Magnitud Unidad

Irradiación Solar S 923.4 W/(m2)

Velocidad del Viento v 1 m/s

Velocidad de circulación del fluido vdp 7.2 m/s

Inclinación del módulo solar B 166 °

Espaciamento entre cubierta y placa absorbedora

L 0.03 m

Temperatura ambiente Ta 30.63 °C

Temperatura de alrededores Talr 30.63 °C

Temperatura de Cubierta Tc 42.41 °C

Temperatura Placa absorbedora Tp 65.06 °C

Temperatura media del fluido Tmf 47.06 °C

Temperatura experimental de la placa absorbedora

Tpex 63.75 °C

Temperatura experimental de salida del fluido

Tsalex 65.91 °C

En la figura 7, se muestra los resultados del modelo en el entorno de la aplicación

CaModSol

Figura 7. Cálculos del Módulo Solar para una velocidad del fluido en el ducto de 7.2

m/s (Fuente: Autores)

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

Los resultados indican que el ajuste de temperaturas se realizó con una

convergencia menor al 1% de las temperaturas de cubierta, de la placa absorbedora y

de la temperatura media del fluido, siendo sus valores calculados de: 42,41°C; 65,06°C;

y, 47,6°C respectivamente. El valor de cálculo del rendimiento fue de 75,7%








considerando una irradiación solar de 923,4 W/m2; esté resultado contrasta con el

obtenido por (Verdeza et al.) [12], quienes en su investigación lograron 36,5% y 51,7%

para irradiación solar de 400 W/m2 y 500 W/m2 respectivamente.

Comparando los valores calculados con relación a los datos experimentales, se

obtuvo un error del 2,13% en la temperatura de la placa, en la temperatura media del

fluido de 1,34%, en el calor útil de 3,66%, en la temperatura de salida del fluido de

1,96%, y en el rendimiento del 3,66%, obteniéndose en promedio un error del 2,55%

que representaría el desface entre el modelo propuesto respecto a los parámetros reales

de funcionamiento. Estos valores se consideran aceptables desde el punto de vista

estadístico [13].

El rendimiento del módulo solar real fue de 78.61%, en cuanto al tiempo unitario

se obtiene un valor de 53.6 s, tiempo que necesita el módulo solar para cubrir un

volumen de aire de 1m3 de una cámara circulando con una velocidad de 7.2 m/s. Estos

resultados contrastan con los obtenidos por Quiñonez [2] teniendo en cuenta que se

logró un rendimiento superior en más de un 20%, y la mitad del tiempo unitario requerido

para calentar 1 m3.

El caudal másico que posibilita el rendimiento de 78,61% es de 0,0204 kg/s,

resultado similar al obtenido por (Chabane et al.) [4], que logra la mayor eficiencia con

un caudal másico de 0,0202 kg/s.

Finalmente, se presentan las siguientes conclusiones:

1. Se ha logrado confirmar la correspondencia del modelo matemático desarrollado

con los resultados experimentales, ratificando la pertinencia del uso de modelos

matemáticos para predecir el comportamiento de parámetros reales de

funcionamiento del colector solar de placas planas.

2. Los resultados obtenidos ofrecen alentadoras perspectivas de utilización del

módulo de aprovechamiento solar para la generación de aire caliente con

propósitos de calefacción, a fin de proporcionar confort en viviendas de la región

sierra ecuatoriana, donde las condiciones climáticas y de radiación solar son

similares a las consideradas en la investigación.

FUENTES DE FINANCIAMIENTO

La presente investigación es parte del Proyecto No. 10-3-DI-FEIRNNR-2019, con

financiamiento interno de la Universidad Nacional de Loja, correspondiente a la

Convocatoria de Proyecto de Investigación Científica 2019-2020.

DECLARACIÓN DE CONFLICTO DE INTERÉS

Los autores de la presente investigación declaramos la no existencia de conflicto

de interés alguno.








APORTE DEL ARTÍCULO EN LA LÍNEA DE INVESTIGACIÓN

Este artículo aporta al análisis de flujos de aire caliente en un módulo de

aprovechamiento solar de placas planas, para la caracterización de procesos de

intercambio de calor.

DECLARACIÓN DE CONTRIBUCIÓN DE CADA AUTOR

Miguel Angel Caraballo, Darwin Tapia, Byron Solórzano y José Cuenca, han

contribuido de forma sustancial desde la idea de investigación, la realización del proceso

investigativo, el diseño del manuscrito, búsqueda bibliográfica, análisis e interpretación

de datos, redacción del manuscrito y revisión crítica de contenido. Todos los autores

leyeron y aprobaron el manuscrito final.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a la Dirección de Investigación de la Universidad Nacional de Loja

por su apoyo en la realización de la investigación y la publicación de los resultados.

REFERENCIAS

[1] J. Iglesias and J. Morales, “Sizing of a solar thermal system by means of simulation and their energy validation,” Apl. Indrustrialesdrustriales, pp. 55–65, 2013.

[2] J. Quiñonez, “Investigación experimental de un calentador solar de aire de doble flujo de convección natural de alta eficiencia,” Rev. Investig. Altoandinas - J. High Andean Res., vol. 21, no. 4, pp. 274–282, Oct. 2019, doi: 10.18271/ria.2019.504.

[3] S. A. Kalogirou, “Solar thermal collectors and applications,” Progress in Energy and Combustion Science, vol. 30, no. 3. pp. 231–295, 2004, doi: 10.1016/j.pecs.2004.02.001.

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NOTA BIOGRÁFICA

Miguel Angel Caraballo Núñez. ORCID iD http://orcid.org/0000-0002-4350-209X

Ingeniero y Magister en Electromecánica, Doctor en Ciencias Técnicas (PhD en

Ingeniería de materiales). Docente Titular e Investigador de la Universidad Nacional de

Loja, Ecuador.

Darwin Giovanny Tapia Peralta. ORCID iD https://orcid.org/0000-0002-1663-7976

Ingeniero en Electromecánica, Magíster en Planificación y Gestión Energética. Docente

Titular e Investigador de la Universidad Nacional de Loja, Ecuador.




http://orcid.org/0000-0002-4350-209X

https://orcid.org/0000-0002-1663-7976

http://orcid.org/0000-0002-4350-209X

https://orcid.org/0000-0002-1663-7976





Byron Agustín Solórzano Castillo ORCID iD https://orcid.org/0000-0002-0071-2249

Ingeniero en Electromecánica, Master en Ingeniería Mecánica. Docente Titular e

Investigador de la Universidad Nacional de Loja, Ecuador.

José Fabricio Cuenca Granda ORCID iD https://orcid.org/0000-0003-1049-0958

Ingeniero en Electromecánica, Máster en Ingeniería del Mantenimiento. Docente Titular

e Investigador de la Universidad Nacional de Loja, Ecuador.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view

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Commons, PO Box 1866, Mountain View, CA 94042, USA.




https://orcid.org/0000-0002-0071-2249

https://orcid.org/0000-0003-1049-0958

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

https://orcid.org/0000-0002-0071-2249

https://orcid.org/0000-0003-1049-0958

mÓdulo de aprovechamiento solar para …

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